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基于gps位移監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預警方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于GPS位移監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預警方法，通過在鋼箱梁上設置GPS位移監(jiān)測裝置和溫度傳感器、加速度傳感器獲得鋼箱梁的三維動態(tài)坐標和溫度、加速度的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別研究健康狀態(tài)下鋼箱梁各個方向動態(tài)坐標與溫度、交通荷載等環(huán)境因素的相關性，建立相關性回歸模型，然后構造坐標殘差預警指標并采用均值控制圖法判別鋼箱梁位置坐標的異常變化，建立鋼箱梁結構損傷預警方法。當本發(fā)明應用于大跨橋梁鋼箱梁損傷預警時，只需將健康狀態(tài)和未知狀態(tài)的鋼箱梁位置坐標同時輸入均值控制圖，若鋼箱梁狀態(tài)發(fā)生異常，控制圖的樣本點就超出控制線，這樣即實現(xiàn)了大跨橋梁鋼箱梁損傷預警。
【專利說明】基于GPS位移監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預警方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明是一種應用于大跨橋梁鋼箱梁損傷預警的方法，涉及橋梁工程的監(jiān)測與評 估領域。

【背景技術】
[0002] 鋼箱梁作為大跨鋼橋的重要組成部分，其健康與否關系到橋梁使用安全及橋梁使 用年限。但是在正常運營期間內，鋼箱梁由于受到長期的交通荷載、氣候與環(huán)境作用等將不 可避免地發(fā)生損傷及病害，導致其承載能力和耐久性能發(fā)生退化。因此，采用科學有效的方 法對鋼箱梁進行結構健康監(jiān)測、預警、安全性及耐久性評估則顯得極為重要和迫切[1]。根 據(jù)結構監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與參數(shù)，建立大跨橋梁鋼箱梁結構狀態(tài)預警與識別方法是重要的研究 方向。
[0003] 目前關于鋼箱梁狀態(tài)預警和損傷識別方法絕大部分是以結構動力特性參數(shù)為基 礎構建損傷預警指標，建立橋梁的預警系統(tǒng)。然而，受溫度、風等噪音及環(huán)境因素的影響，準 確測量鋼箱梁試驗模態(tài)參數(shù)比較困難。
[0004] 位移和形變是大跨橋梁鋼箱梁結構響應的重要參數(shù)，它是橋梁受力的宏觀反映， 通過測量鋼箱梁的動態(tài)三維位移，可以實時了解橋梁的線型狀況和變化規(guī)律，從而衡量橋 梁是否處于正常營運狀態(tài)。傳統(tǒng)測量方法不僅工作量大周期長，其監(jiān)測時間和點位也不能 更好的實現(xiàn)統(tǒng)一，甚至會加大變形分析難度。近年來，隨著科學技術的發(fā)展以及空間技術的 進步，GPS技術由于其可以實現(xiàn)實時、高動態(tài)、高精度位移測量而得到了廣泛的應用，并成為 變形監(jiān)測領域內研究的熱點 [2]。隨著GPS-RTK技術的出現(xiàn)，GPS接收機采樣頻率的提高，以 及GPS解算軟件的發(fā)展和完善，GPS技術在大型工程結構物動態(tài)特性和變形監(jiān)測中的應用 越來越廣泛。
[0005] 通過GPS監(jiān)測系統(tǒng)對大跨橋梁鋼箱梁進行實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析，可以及時捕捉鋼 箱梁在實際交通負荷與自然蛻化條件下的異常特征信息并發(fā)出預警信號，為橋梁維護、維 修與管理決策提供依據(jù)和指導。同時，相比于文獻[3]中以梁端位移作為損傷預警指標，梁 端位移僅僅表征了梁端位置主梁軸向變位，而且變化幅值較小，測量誤差容易掩蓋局部損 傷所造成的異常變化。本發(fā)明的方法以坐標殘差作為損傷預警指標，從多個截面、多方向分 析，從而更準確地對鋼箱梁結構進行異常狀態(tài)識別和損傷預警。
[0006] 參考文獻
[0007] 文獻[1]李愛群，繆長青.橋梁結構健康監(jiān)測[M].北京：人民交通出版社，2009 ;
[0008] 文獻[2]Mehdi Modares，A. M. ASCEand Natalie Waksmanski. An Overview of Structural Health Monitoring for Steel Bridges[J]. Practice Periodical on Structural Design and Construction, October 23, 2012 ；
[0009] 文獻[3]鄧揚，李愛群，丁幼亮等.基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的大跨橋梁結構伸縮縫損 傷識別[J].東南大學學報自然科學版，2011，41 (2):336-341。


【發(fā)明內容】

[0010] 技術問題：本發(fā)明針對現(xiàn)有大跨橋梁結構損傷檢測技術的問題，提供了一種運營 狀態(tài)下基于GPS監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預警方法。
[0011] 技術方案：通過GPS實時監(jiān)測大橋的三維動態(tài)坐標，可以了解橋梁的線型狀況和 變化規(guī)律，從而衡量橋梁是否處于正常營運狀態(tài)。當鋼箱梁發(fā)生損傷時，其三維動態(tài)坐標就 會發(fā)生異常變化，基于這種位置坐標的變化即可對大跨橋梁鋼箱梁的損傷進行預警分析。
[0012] 由于環(huán)境溫度、交通荷載的作用會影響鋼箱梁位置坐標的變化，從而掩蓋鋼箱梁 因損傷所造成的坐標變化。因此，本發(fā)明的方法首先分析環(huán)境溫度、交通荷載對鋼箱梁位置 坐標的影響規(guī)律并建立相關性模型，在此基礎上剔除交通荷載的影響。然后利用鋼箱梁位 置坐標與溫度的相關性并采用均值控制圖法來識別由鋼箱梁損傷所引起的位置坐標的異 常變化，從而建立大跨橋梁鋼箱梁損傷預警方法。
[0013] 本發(fā)明提供了一種運營狀態(tài)下基于GPS位移監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預警方 法，該方法包括如下步驟：
[0014] 步驟1 :橋梁位移GPS監(jiān)測裝置及溫度傳感器、加速度傳感器的布置
[0015] 在鋼箱梁1/4截面、1/2截面和3/4截面上下游分別布置GPS監(jiān)測裝置和溫度傳感 器、加速度傳感器，用以監(jiān)測鋼箱梁各個截面的位置坐標和溫度以及由于交通荷載引起的 鋼箱梁堅向加速度；
[0016] 步驟2:監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理
[0017] 將獲得的鋼箱梁GPS位置坐標數(shù)據(jù)利用小波閾值去噪方法進行降噪處理，然后將 位置坐標和溫度以1小時為計算區(qū)間進行平均處理；將獲得的加速度響應數(shù)據(jù)進行低通濾 波，再以1小時為時間間距計算加速度響應的均方根值RMS，作為交通荷載的代表值；
[0018] 步驟3 :健康狀態(tài)下鋼箱梁位置坐標和環(huán)境條件的數(shù)學相關性模型
[0019] 步驟3a :選取橋梁建成后包含四季變化的η天經(jīng)過小波降噪處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)來 建立相關性模型，鋼箱梁位置坐標Ζ和溫度Τ以及交通荷載代表值R，
[0020] 步驟3b :采用多項式回歸的方法建立鋼箱梁坐標Ζ和溫度Τ之間的關系，回歸模 型參數(shù)由最小二乘法計算得到，
[0021] 步驟3c :采用線性回歸方法建立垂橋向位置坐標C和交通荷載R之間的關系，然 后選取參考加速度為Rf，將垂橋向位置坐標實測值"歸一化"至參考加速度R f，得到消除交 通荷載影響的垂橋向位置坐標C' ；
[0022] 步驟4 :控制圖顯著性水平的確定
[0023] 步驟4a:將步驟3中η天實測坐標值Z(包括歸一化垂橋向坐標值C'）取日平均 值，記為Zi，將實測溫度Τ同樣取日平均值記為?\，然后輸入步驟3中的相關性模型計算得 到鋼箱梁位置坐標預測值，記為Ζ 2，計算鋼箱梁位置坐標實測值與預測值的殘差，記為e，
[0024] 步驟4b :將步驟4a中坐標殘差e輸入均值控制圖，并通過改變假設檢驗的顯著性 水平調整上、下限范圍，使得上述η個樣本點全部落在控制圖的上下控制線之內；
[0025] 步驟5 :鋼箱梁損傷預警
[0026] 步驟5a :將未知狀態(tài)的m天監(jiān)測數(shù)據(jù)中實測坐標日平均值記為Ζ3，實測溫度日平 均值記為τ2，將Τ 2輸入步驟3中的相關性模型計算得到鋼箱梁位置坐標預測值，記為Ζ4。計 算鋼箱梁位置坐標實測值與預測值的殘差，記為e'，
[0027] 步驟5b :保持步驟4確定的顯著性不變，將未知狀態(tài)的殘差樣本e'繪入步驟4中 的均值控制圖。此時，若所有n+m個樣本全部處于上、下控制線內，則說明鋼箱梁狀態(tài)正常， 若有樣本落在了控制線以外，則說明鋼箱梁狀態(tài)異常，可作出鋼箱梁發(fā)生損傷的預警。
[0028] 有益效果：針對運營狀態(tài)下大跨橋梁結構損傷預警的實時性和準確性要求，本發(fā) 明綜合現(xiàn)場監(jiān)測、統(tǒng)計建模、均值控制圖等手段提出了運營狀態(tài)下基于GPS位移監(jiān)測的大 跨橋梁鋼箱梁損傷預警方法，具有以下有益效果：
[0029] (1)本發(fā)明所需安裝的傳感器數(shù)量較少，僅需要橋梁位移GPS監(jiān)測裝置、溫度傳感 器和加速度傳感器。同時，本發(fā)明采用的方法可以通過簡單的編程實現(xiàn)，方便應用于實際工 程。
[0030] (2)本發(fā)明利用GPS動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)從多個截面、多方向分析，從而更準確地對鋼箱 梁進行損傷預警。
[0031] (3)本發(fā)明考慮了運營狀態(tài)下影響鋼箱梁位移變化的環(huán)境溫度和交通荷載因素， 有效提高了鋼箱梁損傷預警的精度。
[0032] (4)本發(fā)明引入均值控制圖的方法對鋼箱梁位置坐標的異常變化進行多樣本的假 設檢驗，可以減少誤判的可能性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1為順橋向坐標值與溫度的相關散點圖（小時平均）；
[0034] 圖2為垂橋向坐標值與溫度的相關散點圖（小時平均）；
[0035] 圖3為順橋向坐標值與溫度的相關散點圖（日平均）；
[0036] 圖4為垂橋向坐標值與溫度的相關散點圖（日平均）；
[0037] 圖5為垂橋向位置坐標和加速度均方根的相關性散點圖；
[0038] 圖6為結構健康狀態(tài)下的順橋向坐標殘差均值控制圖，圖中的UCL表示上控制線， LCL表示下控制線，CL為控制圖的中線；
[0039] 圖7為結構健康狀態(tài)下的垂橋向坐標殘差均值控制圖，圖中的UCL表示上控制線， LCL表示下控制線，CL為控制圖的中線；
[0040] 圖8為結構異常狀態(tài)下的順橋向坐標殘差均值控制圖，圖中的UCL表示上控制線， LCL表示下控制線，CL為控制圖的中線；
[0041] 圖9為結構異常狀態(tài)下的垂橋向坐標殘差均值控制圖，圖中的UCL表示上控制線， LCL表示下控制線，CL為控制圖的中線。

【具體實施方式】
[0042] 下面將參照附圖對本發(fā)明的具體實施方案進行進一步的描述：
[0043] (1)在橋梁位移GPS監(jiān)測裝置、溫度傳感器和加速度傳感器的設置過程中，GPS和 傳感器布置的數(shù)量、位置及參數(shù)的設置可視橋的類型、跨徑、橋面寬度以及橋址的環(huán)境等具 體情況而定，通常在鋼箱梁1/4、1/2、3/4等截面上下游各設置一個橋梁位移GPS監(jiān)測裝置、 溫度傳感器和加速度傳感器，即可滿足本發(fā)明的需要。
[0044] (2)將獲得的GPS位置坐標監(jiān)測數(shù)據(jù)首先采用小波閾值去噪方法進行降噪處理， 然后將降噪處理后的坐標和溫度分別進行小時平均處理，作為鋼箱梁位置坐標和溫度的代 表值；將獲得的加速度響應數(shù)據(jù)，首先進行低通濾波，再以1小時為時間間距計算加速度響 應的均方根值RMS，作為交通荷載的代表值。
[0045] (3)選擇橋梁施工完成后包含四季變化的η天的監(jiān)測數(shù)據(jù)來建立相關性模型，這 是因為這段時間內鋼箱梁線形可認為處于健康狀態(tài)，而且能夠體現(xiàn)出四季變化特征，以s、c 和T、R分別表7^順橋向、垂橋向位置坐標和溫度、交通荷載代表值，樣本總數(shù)為48Xn。
[0046] (4)采用多項式回歸的方法建立溫度T分別和順橋向坐標值S、垂橋向坐標值C之 間的關系：

【權利要求】
1. 一種基于GPS位移監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預警方法，其包括如下步驟： 1) 布置GPS監(jiān)測裝置及傳感器； 在鋼箱梁典型截面處分別布置橋梁位移GPS監(jiān)測裝置、溫度傳感器和加速度傳感器， 用以監(jiān)測鋼箱梁各個截面的三維坐標、溫度和由于交通荷載引起的鋼箱梁堅向加速度； 2) 處理監(jiān)測數(shù)據(jù)； 將獲得的鋼箱梁GPS位置坐標數(shù)據(jù)利用小波閾值去噪方法進行降噪處理，然后將GPS 位置坐標數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)以1小時為計算區(qū)間進行平均處理；將獲得的加速度響應數(shù)據(jù)進 行低通濾波，再以1小時為時間間距計算加速度響應的均方根值RMS，作為交通荷載的代表 值R; 3) 建立健康狀態(tài)下鋼箱梁GPS位置坐標和環(huán)境條件的數(shù)學相關性模型； 3. 1)選取橋梁建成后包含一年四季季節(jié)變化的η天經(jīng)過處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)來建立相 關性模型，鋼箱梁位置坐標Ζ和溫度Τ以及交通荷載代表值R ; 3. 2)采用多項式回歸的方法建立鋼箱梁位置坐標Ζ和溫度Τ之間的關系，回歸模型參 數(shù)由最小二乘法計算得到； 3. 3)為了消除交通荷載對鋼箱梁垂橋向位置坐標的影響，首先采用線性回歸方法建立 垂橋向GPS位置坐標C和交通荷載R之間的關系，然后選取參考加速度R f，將垂橋向位置坐 標實測值"歸一化"至參考加速度Rf，得到消除交通荷載影響的垂橋向位置坐標C' ； 4) 確定控制圖顯著性水平； 4. 1)將步驟3)中η天"歸一化"后的鋼箱梁位置坐標值Z取日平均值，記為Zi，將實測 溫度T同樣取日平均值記為?\，然后輸入步驟3)中的相關性模型計算得到鋼箱梁坐標預測 值，記為Ζ 2，計算鋼箱梁坐標實測值與預測值的殘差，記為e， 4. 2)將步驟4. 1)中坐標殘差e輸入均值控制圖，并通過改變假設檢驗的顯著性水平調 整上、下限范圍，使得上述η個樣本點全部落在控制圖的上下控制線之內； 5) 鋼箱梁損傷預警； 5. 1)將未知狀態(tài)的m天監(jiān)測數(shù)據(jù)中鋼箱梁實測坐標日平均值記為Ζ3，實測溫度日平均 值記為Τ 2，將Τ2輸入步驟3)中的相關性模型計算得到鋼箱梁位置坐標預測值，記為Ζ4，計 算鋼箱梁位置坐標實測值與預測值的殘差，記為e'， 5. 2)保持步驟4)確定的顯著性不變，將未知狀態(tài)的殘差樣本e'繪入步驟4)中的均值 控制圖，此時，若所有n+m個樣本全部處于上、下控制線內，則說明鋼箱梁狀態(tài)正常，若有樣 本落在了控制線以外，則說明鋼箱梁狀態(tài)異常，可作出鋼箱梁發(fā)生損傷的預警。
【文檔編號】G01M99/00GK104048843SQ201410263892
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權日:2014年6月13日
【發(fā)明者】繆長青, 王蔓, 梅明星, 田洪金 申請人:東南大學